(57)【要約】【課題】可動部の温度を高精度に制御し得る駆動ステージ装置を提供する。【解決手段】駆動ステージ装置１は、ベースプレート２と、ベースプレート２の上面を移動するステージ３と、ステージ３を駆動する駆動部４と、ベースプレート２及びステージ３の間で熱を移動させる伝熱手段５と、ステージ３を温度制御するための制御手段６とを備えている。制御手段６は、決定した使用温度範囲において熱輻射によって移動する熱を求めるための熱輻射関数に熱伝導関数が近似するように、実測に基づいて予め求めた熱伝導関数の比例係数を用いるため、この比例係数を含む熱伝導関数は熱輻射関数と近似されるものとなる。これにより、絶対温度の４乗に比例する熱輻射関数が温度に比例する熱伝導関数に置き換えられ、可動部の温度を高精度で制御することができる。【選択図】図２
2007122181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空雰囲気中又は減圧雰囲気中で使用される駆動ステージ装置であって、
固定部と、
前記固定部に設けられたガイド部と、
前記ガイド部に沿って移動するように設けられた可動部と、
前記固定部と前記可動部との間に設けられ、前記固定部と前記可動部との間で熱を移動させる伝熱手段と、
前記可動部が所定の温度となるように温度制御する制御手段とを備え、
前記伝熱手段は、
熱輻射によって放熱する熱輻射放熱部と、
熱輻射によって受熱する熱輻射受熱部と、
前記制御手段によって制御されて、一方の表面に設けられた冷却部から他方の表面に設けられた放熱部に向けて熱を熱量可変に移動させる伝熱素子とを有し、
前記制御手段は、
決定した温度範囲内において熱輻射によって移動する熱を求めるための熱輻射放熱部の絶対温度及び熱輻射受熱部の絶対温度の４乗に比例する熱輻射関数に熱輻射放熱部の温度及び熱輻射受熱部の温度に比例する熱伝導関数が近似するように、前記熱伝導関数の比例係数を、決定した前記温度範囲内において実測に基づいて予め求められた前記熱伝導関数の比例係数とし、
当該比例係数を含む前記熱伝導関数と前記可動部の温度に関する情報と前記熱輻射放熱部の温度に関する情報と前記熱輻射受熱部の温度に関する情報とに基づいて、前記可動部が前記所定の温度となるように前記伝熱素子を制御することを特徴とする駆動ステージ装置。
【請求項２】
前記可動部は、前記可動部と前記固定部との間に隙間を有する非接触式可動部であることを特徴とする請求項１記載の駆動ステージ装置。
【請求項３】
前記伝熱素子は前記可動部に取り付けられることを特徴とする請求項１又は２記載の駆動ステージ装置。
【請求項４】
前記熱輻射放熱部と前記熱輻射受熱部とが、前記可動部の位置によらず一定の間隔を有して取り付けられ、熱輻射によって移動する輻射熱が前記可動部の位置によらず一定となるように、前記ガイド部と平行な方向に所定の長さをそれぞれ有することを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の駆動ステージ装置。
【請求項５】
前記可動部が移動する可動範囲の最端位置に前記可動部が位置するときに、前記熱輻射放熱部と前記熱輻射受熱部とが接触することを特徴とする請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の駆動ステージ装置。
【請求項６】
前記伝熱手段は、前記固定部と前記可動部との間における熱の移動方向を逆とするように前記制御手段によって制御されることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の駆動ステージ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動されるステージを有する駆動ステージ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の駆動ステージ装置として、例えば特許文献１に記載されているように、ステージと、輻射冷却するための輻射板と、輻射板を温度制御するペルチェ素子と、輻射板の輻射量を変更するための輻射シャッタとを備えたものが知られている。
【特許文献１】特開２００５−３３１７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、半導体や液晶の露光装置又は検査装置に適用される駆動ステージ装置おいては、近年の半導体や液晶の高性能化に伴い、可動部の高い駆動精度が要求されている。このような駆動ステージ装置では、例えば露光光やケーブルの発熱によって可動部の温度が変化し、駆動ステージの駆動精度や半導体Ｓｉウェハが膨張収縮して位置決め精度が低下する要因となるため、可動部の温度を一定に制御する必要がある。
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では、熱輻射が絶対温度の４乗に比例することによって制御が非線形なものとなるので、最適な制御値を精度良く決定するのが困難である。このため、可動部の温度を精度良く制御できないといった問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、可動部の温度を高精度に制御することができる駆動ステージ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る駆動ステージ装置は、真空雰囲気中又は減圧雰囲気中で使用される駆動ステージ装置であって、固定部と、固定部に設けられたガイド部と、ガイド部に沿って移動するように設けられた可動部と、固定部と可動部との間に設けられ、固定部と可動部との間で熱を移動させる伝熱手段と、可動部が所定の温度となるように温度制御する制御手段とを備え、伝熱手段は、熱輻射によって放熱する熱輻射放熱部と、熱輻射によって受熱する熱輻射受熱部と、制御手段によって制御されて、一方の表面に設けられた冷却部から他方の表面に設けられた放熱部に向けて熱を熱量可変に移動させる伝熱素子とを有し、制御手段は、決定した温度範囲内において熱輻射によって移動する熱を求めるための熱輻射放熱部の絶対温度及び熱輻射受熱部の絶対温度の４乗に比例する熱輻射関数に熱輻射放熱部の温度及び熱輻射受熱部の温度に比例する熱伝導関数が近似するように、熱伝導関数の比例係数を、決定した温度範囲内において実測に基づいて予め求められた熱伝導関数の比例係数とし、比例係数を含む熱伝導関数と可動部の温度に関する情報と熱輻射放熱部の温度に関する情報と熱輻射受熱部の温度に関する情報とに基づいて、可動部が所定の温度となるように伝熱素子を制御することを特徴とする。
【０００７】
このような本発明の駆動ステージ装置では、決定した使用温度範囲において熱輻射によって移動する熱を求めるための熱輻射関数に熱伝導関数が近似するように、実測に基づいて予め求められた熱伝導関数の比例係数を用いるため、この比例係数を含む熱伝導関数は、上記温度範囲において熱輻射関数と近似されるものとなり、絶対温度の４乗に比例する熱輻射関数が温度に比例する熱伝導関数に置き換えられる。これにより、可動部の温度制御から非線形な要素が排除される。その結果、理論的に求められた熱輻射に基づく温度制御に比べ、簡易、かつ現実に即した温度制御を行うことが可能である。従って、可動部の温度を高精度で制御することができる。
【０００８】
ここで、可動部は、可動部と固定部との間に隙間を有する非接触式可動部であることが好ましい。
【０００９】
この場合には可動部と固定部とが非接触となり、可動部と固定部との間に熱伝導による熱の移動が無くなるので、上記制御手段による温度制御が有効である。
【００１０】
また、伝熱素子は可動部に取り付けられることが好ましい。
【００１１】
可動部は固定部に設けられたガイド部に沿って移動するため、可動部の移動に対応するように伝熱素子を取り付ける必要がある。よって、例えば固定部に伝熱素子を取り付ける場合にはガイド部に沿って全域に伝熱素子を取り付ける必要があるが、可動部に伝熱素子を取り付ける場合にはガイド部より短い可動部に伝熱素子を取り付けるだけで良い。従って、簡易な駆動ステージ装置の構成が可能となる。
【００１２】
また、熱輻射放熱部と熱輻射受熱部とが、可動部の位置によらず一定の間隔を有して取り付けられ、熱輻射によって移動される輻射熱が可動部の位置によらず一定となるように、ガイド部と平行な方向に所定の長さをそれぞれ有することが好ましい。
【００１３】
これにより、可動部が移動することで熱輻射によって移動される輻射熱が変化してしまうことを防止でき、移動する輻射熱の熱量が可動部の位置によらず均一になる。従って、可動部の温度を高精度に制御することが可能となる。
【００１４】
また、可動部が移動する可動範囲の最端位置に可動部が位置するときに、熱輻射放熱部と熱輻射受熱部とが接触していることが好ましい。
【００１５】
使用温度範囲において、この範囲に対応する熱伝導関数の比例係数を予め求める必要がある。そこで、可動範囲の最端位置に可動部が位置している状態で熱輻射放熱部と熱輻射受熱部とが接触することにより、可動範囲の最端位置で熱伝導関数の比例係数を求めることができる。従って、上述の比例係数を簡易に予め求めることが可能となる。さらに、駆動ステージ装置ごとに、これらの比例係数を求めることができるので、個々の装置のばらつきを考慮した温度制御を行うことができ、その精度がより向上される。また、例えば定期的に上述の比例係数を求めることで、経年変化をも校正することができる。
【００１６】
さらにまた、伝熱手段は、固定部と可動部との間における熱の移動方向を逆とするように制御手段によって制御されても良い。
【００１７】
この場合、固定部と可動部との間における熱の移動方向を逆とすることで、可動部を冷却したり、放熱したりすることを自在に行うことができる。従って、駆動テーブル装置をより様々な設置場所や用途へ適用することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、可動部の温度を高精度に制御し得る駆動ステージ装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は本発明の一実施形態に係る駆動ステージ装置を示す概略平面図、図２は図１中のII−II線に沿う断面図である。本実施形態の駆動ステージ装置１は、半導体や液晶の露光装置又は検査装置等に適用されるものであり、各図に示すように、ベースプレート（固定部）２と、ベースプレート２の上面を移動するステージ（可動部）３と、ステージ３を駆動する駆動部４と、ベースプレート２とステージ３との間で熱を移動させる伝熱手段５と、ステージ３を温度制御するための制御手段６とを備えている。なお、駆動ステージ装置１は、例えばチャンバー内に配置されて密封され、例えば真空ポンプ等によりチャンバー内は略真空状態とされている。
【００２１】
ベースプレート２は、その上面にガイド部７をベースプレート２の長手方向に延在するように備えている。ステージ３は、非接触ベアリング８を介して、ガイド部７に沿って移動可能となっている。非接触ベアリング８のガイド部７側の面には、非接触とするための例えばエアー噴出孔が設けられており、このエアー噴出孔から非接触ベアリング８に向けてエアーが噴出され、非接触ベアリング８とガイド部７との間には、例えば１０μｍ程度のエアー膜が形成される。ここで、非接触ベアリング８がガイド部７の一端部に位置するときから他端部に位置するときまでのステージ３の位置が可動範囲となる。
【００２２】
駆動部４は、磁力のバランスを変動させて駆動推力を発生するリニアモータであり、ステージ３の下面に取り付けられた、例えばコイルを有する可動子９と、この可動子９と対応するようにベースプレート２の上面に取り付けられて長手方向に延在する、例えばマグネットを有する固定子１０とで構成されている。ステージ３を駆動する場合は、可動子９を構成するコイルに通電することで可動子９に駆動推力が生じ、ステージ３がガイド部７と非接触に支持及び案内されながらベースプレート２上を移動する。
【００２３】
伝熱手段５は、ペルチェ素子（伝熱素子）１１と、熱輻射によって放熱する熱輻射放熱板（熱輻射放熱部）１２と、受熱する熱輻射受熱板（熱輻射受熱部）１３と、駆動ステージ装置１の外部へ熱を排熱するチラー１４とを備えている。ここで、ペルチェ素子とは、電流を流すことによって、その電流の大きさに比例した熱量をその一方の表面に設けられた冷却面（冷却部）１５から他方の表面に設けられた放熱面（放熱部）１６に向けて移動させるものである。また、流す電流の向きを変えることで、冷却面１５と放熱面１６とを切り替えることができる。ペルチェ素子１１は、その冷却面１５がステージ３におけるガイド部７の延在方向に直交する端面に当接するように設けられ、実際は図３に示すように、ベースプレート２の長手方向（図示の上下方向）に沿って複数個が並設されている。これらのペルチェ素子１１には電源２１から直流電流が流れるようにリード線２２により直列接続されている。
【００２４】
図１及び図２に戻り、熱輻射放熱板１２は、ステージ３にペルチェ素子１１を介して設けられている。具体的には、ペルチェ素子１１の放熱面１６に熱輻射放熱板１２が当接するように設けられている。なお、ステージ３と熱輻射放熱板１２との間は、ペルチェ素子１１による熱の移動以外は断熱である。
【００２５】
熱輻射受熱板１３は、ベースプレート２の長手方向に延在してその上面に設けられ、その受熱面が熱輻射放熱板１２の放熱面と一定の間隔を有して隣接している。この熱輻射受熱板１３は、ステージ３がガイド部７に沿う可動範囲の一端部から他端部に向けて移動する際の熱輻射放熱板１２の移動距離以上の長さを有している。このように、熱輻射放熱板１２と熱輻射受熱板１３とがステージ３の可動範囲に亘って一定の間隔を有すると共に、熱輻射受熱板１３が十分な長さを有しているため、熱輻射放熱板１２から熱輻射受熱板１３に向けて移動する熱量がステージ３の位置によらず均一になる。
【００２６】
熱輻射放熱板１２の放熱面と熱輻射受熱板１３の受熱面とは、表面積を増やして熱輻射による熱の移動量を増加させるようにそれぞれ蛇腹状の曲面に構成されている。チラー１４はベースプレート２に設けられ、ベースプレート２の温度が例えば２３℃となるように、一定に保つものである。
【００２７】
制御手段６は、ステージ３の温度を取得するための温度センサ１７と、熱輻射放熱板１２の温度を取得するための温度センサ１８とを備えている。この制御手段６は、ペルチェ素子１１をＰＩＤ制御して、その冷却面１５から放熱面１６に向けて移動する熱量を調整し、ステージ３を所定の温度となるように温度制御するものである。なお、ＰＩＤ制御とは、現状値（ステージ３の温度）と目標値（所定の温度）との偏差、その積分、及び、微分の３つの要素によって制御を行うフィードバック制御であり、現状値が目標値を行き過ぎたり、目標値の前後を振動したりする現象を抑制し、通常のフィードバック制御に比べ、より短時間に現状値を目標値とさせて安定させることができる制御である。
【００２８】
このように構成された駆動ステージ装置１においては、非接触ベアリング８及び駆動部４によりベースプレート２とステージ３とが非接触とされ、ステージ３が駆動されて所望の位置へ移動し、ステージ３上の処理物に対して所定の処理が実行される。そして、この駆動ステージ装置１にあっては、制御手段６により以下の温度制御が実行される。
【００２９】
まず、ステージ３の熱輻射に基づく一般的な温度制御について説明する。この温度制御では、熱輻射放熱板の温度（高温側の温度）Ｔ１と熱輻射受熱板の温度（低温側の温度）Ｔ２とに基づいて、熱輻射放熱板１２及び熱輻射受熱板１３間における熱輻射によって移動する熱移動量Ｑを求める。続いて、この熱移動量Ｑと、温度センサ１７によって取得したステージ３の温度と、所定の温度Ｔ０とに基づいて、ＰＩＤ制御をするためのＰＩＤ制御値を求める。
【００３０】
次に、求めたＰＩＤ制御値に基づいて、ペルチェ素子１１に供給する電流量を取得し、この電流量の電流をペルチェ素子１１に供給する。これにより、ペルチェ素子１１が、供給された電流量に対応した熱量をその冷却面１５から放熱面１６に向けて移動させる。その結果、ステージ３の温度が所定の温度Ｔ０に近づくように制御される。そして、このようなステージ３の温度制御が繰り返され、ステージ３の温度が所定の温度Ｔ０に制御される。
【００３１】
ここで、熱輻射による熱移動量Ｑは、熱輻射放熱板１２の温度Ｔ１及び熱輻射受熱板１３の温度Ｔ２の絶対温度に比例する下記（１）式に従って算出される。
【００３２】
Ｑ＝ε・ＦＧ・σ・Ａ（（Ｔ１＋２７３）４−（Ｔ２＋２７３）４）  …（１）
但し、
ε：輻射面の輻射率、
ＦＧ：輻射面の形態係数、
σ：ステファン・ボルツマン定数Ｗ／（ｍ２・Ｋ４）、
Ａ：輻射面の面積ｍ２、
Ｔ１：熱輻射放熱板１２の温度℃、
Ｔ２：熱輻射受熱板１３の温度℃、
【００３３】
しかしながら、（１）式では、熱移動量Ｑが絶対温度の４乗に比例した非線形なものとなる。よって、精度良く熱移動量Ｑ及びＰＩＤ制御値を求めることが困難である。
【００３４】
そこで、本実施形態では、駆動ステージ装置１を使用する際の熱輻射放熱板１２の温度及び熱輻射受熱板１３の温度（以下「使用温度範囲」と言う）において、（１）式に下記（２）式に示される温度に比例する熱伝導関数を近似させ、この近似させた熱伝導関数で熱移動量Ｑを求める。なお、（２）式に含まれる比例係数（熱コンダクスタンス）ｈは、使用温度範囲において（２）式が（１）式と近似するように、予め実測に基づいて求められる比例定数である。
【００３５】
Ｑ＝ｈ（Ｔ１−Ｔ２）  ‥‥（２）
但し、
ｈ：比例定数（熱コンダクスタンス）Ｗ／Ｋ、
Ｔ１：熱輻射放熱板１２の温度℃、
Ｔ２：熱輻射受熱板１３の温度℃、
【００３６】
この（２）式に含まれる比例係数ｈを予め求めるには、まず使用温度範囲Ａにおける熱輻射による熱移動量Ｑの関数Ｂ（図４中の実線）を実測に基づいて求める。そして、熱輻射放熱板１２と熱輻射受熱板１３とを接触させて、関数Ｂと近似するような使用温度範囲Ａにおける熱伝導による熱移動量Ｑの関数Ｃ（図４中の破線）を実測に基づいて求める。これにより、使用温度範囲Ａにおける関数Ｃの傾きが、使用温度範囲Ａにおける比例係数ｈとなる。
【００３７】
ここで、本実施形態においては、使用範囲外であって可動範囲の最端である位置にステージ３を移動する。この状態では、図５に示すように、熱輻射放熱板１２及び熱輻射受熱板１３は、双方が接触するように構成されている。これにより、可動範囲の最端位置にステージ３が位置している状態で、例えば熱輻射受熱板１３に熱輻射放熱板１２を深く、浅く出し入れして接触域（面積、長さ）を可変に接触させる等して関数Ｃを関数Ｂに近似させ、使用温度範囲Ａにおける比例係数ｈを求めることができる。従って、使用温度範囲Ａにおける比例係数ｈが簡易に予め求められる。なお、熱輻射放熱板１２と熱輻射受熱板１３との間に、例えば伝熱体を設けることで双方を接触させ、その伝熱体の長さ、接触域、熱伝導係数等を変えて、関数Ｃを関数Ｂに近似させても良い。ちなみに、この伝熱体は使用時には取り外される。
【００３８】
このように、本実施形態の駆動ステージ装置１では、比例係数ｈを含む熱伝導による（２）式で求められる熱移動量Ｑが、熱輻射による（１）式で求められた熱移動量Ｑと精度良く一致することになる。すなわち、絶対温度の４乗に比例する熱輻射関数を、温度に比例する熱伝導関数に置き換えたステージ３の温度制御が可能となる。これにより、温度制御から非線形な要素が排除され、例えば熱移動量Ｑを精度良く求めることができないためにステージ３を急激に冷却してしまったり、全く冷却が足りなかったりするのが防止される。よって、理論的に求められた熱輻射に基づく温度制御に比べ、簡易、かつ現実に即した温度制御が行うことができ、ステージ３の温度を高精度で制御することが可能となる。
【００３９】
また、本実施形態においては、上記可動範囲の最端位置で熱輻射放熱板１２と熱輻射受熱板１３とが接触する構成のため、駆動ステージ装置ごとに、使用温度範囲における比例係数を求めることができ、個々の装置のばらつきを考慮した温度制御を行うことが可能であり、その精度がより向上される。さらに、例えば定期的に使用温度範囲における比例係数を求めることで、経年変化をも校正することができる。また、当該接触構成のため、ステージ３がガイド部７から可動範囲外へ移動するのを抑制するストッパーとしての効果も奏する。
【００４０】
また、本実施形態においては、非接触ベアリング８及び駆動部４によりベースプレート２とステージ３とが非接触とされ、ベースプレート２とステージ３との間の熱伝導による熱の移動が無くされている。従って、制御手段６の熱輻射に基づく温度制御がより有効である。
【００４１】
また、本実施形態においては、ステージ３にペルチェ素子１１を取り付けられているため、ベースプレート２より短いステージ３にペルチェ素子１１を取り付けるだけで良く、駆動ステージ装置１を簡易な構成にすることができる。なお、ベースプレート２にペルチェ素子１１を取り付ける場合には、ガイド部７に沿って全域にペルチェ素子１１を取り付ける必要がある。
【００４２】
以上、説明した駆動ステージ装置１に関し、熱輻射受熱板１３の温度を２３℃に保持した状態で、ステージ３が所望の温度になるように制御手段６により温度制御した結果、所望の温度に対し±０．０１℃になり、高精度に温度制御するという効果を確認することができた。
【００４３】
なお、熱輻射関数である関数Ｂを求め、この関数Ｂに近似する熱伝導関数を、例えばコンピュータ等により求めることも考えれられるが、この場合には駆動ステージ装置の固有の特性が反映されにくく、本実施形態の手法に比して温度制御の精度が劣る。
【００４４】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ステージ３を冷却するように温度制御しているが、ペルチェ素子１１に供給する電流の流れを逆にして、ステージ３を加熱するようにしても良く、この場合には、ペルチェ素子１１の冷却面１５が放熱面となり、放熱面１６が冷却面となると共に、熱輻射放熱板１２が熱輻射受熱板となり、熱輻射受熱板１３が熱輻射放熱板となる。
【００４５】
また、上記実施形態では、ステージ３は非接触ベアリング８を介してベースプレート２に非接触に取り付けられるが、ローラベアリング又はボールベアリングを介する接触式の場合にも適用できる。
【００４６】
また、上記実施形態では、ガイド部７及び駆動部４がそれぞれ１つで構成されるが、２つ以上設けられていても良い。さらに、一方のステージ及びガイド部に直交する方向に沿って他方のステージ及びガイド部が設けられ、ステージが直交する両方向に移動可能な、いわゆるＸ−Ｙ駆動ステージ装置に対しても適用可能である。
【００４７】
また、上記実施形態では、熱輻射受熱板１３の温度Ｔ２は一定に保たれているが、一定でなくても、熱輻射受熱板１３の温度が取得可能であればよい。この場合、比例係数は、熱輻射放熱板１２の使用温度範囲のみによらず、熱輻射受熱板１３の使用温度範囲も考慮される。また、使用温度範囲における比例係数は、使用温度範囲の温度に対応して複数存在してもよい。
【００４８】
さらにまた、上記実施形態では、駆動ステージ装置１が略真空中で使用されるが、減圧中で使用されても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る駆動ステージ装置を示す概略平面図である。
【図２】図１中のII−II線に沿う断面図である。
【図３】ペルチェ素子の配線を示す概略平面図である。
【図４】熱輻射放熱板と熱輻射受熱板との間における熱移動量を示す線図である。
【図５】ステージが可動範囲の端部に位置する状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…駆動ステージ装置、２…ベースプレート（固定部）、３…ステージ（可動部）、５…伝熱手段、６…制御手段、７…ガイド部、１１…ペルチェ素子（伝熱素子）、１２…熱輻射放熱板（熱輻射放熱部）、１３…熱輻射受熱板（熱輻射受熱部）、１５…冷却面（冷却部）、１６…放熱面（放熱部）、Ａ…使用温度範囲、ｈ…比例係数、Ｔ０…所定の温度。
【図１】
2007122181.tif 000003
【図２】
2007122181.tif 000004
【図３】
2007122181.tif 000005
【図４】
2007122181.tif 000006
【図５】
2007122181.tif 000007